太原工业学院 2015/2016学年第一学期
《特种陶瓷》课程论文
题目：碳化硅陶瓷的工艺与发展方向
班级： 122073219
姓名：刘鑫泽
学号： 19
1 前言
随着科技的发展，人们迫切需要开发各种新型高性能结构材料。碳化硅陶瓷由于具有多种良好的的性能，已经在许多领域大显身手，并且已经收到人们的高度重视。
2 晶体结构
SiC是共价键很强的化合物，SiC中 Si-C键的离子性仅12%左右。 SiC具有α和β两种晶型。β- SiC的晶体结构为闪锌矿晶体结构立方晶系，Si和 C 分别组成面心立方晶格；α-SiC纤锌矿型结构，六方晶系。存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中， 6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在温度低于1600℃时，SiC以β-SiC形式存在。当高于1600℃时，β- SiC缓慢转変成α-SiC的各种多型体。4H- SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H- SiC，即使温度.超过2200℃，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间的热稳定关系变化。[1]
3 性能与应用
3.1 性能
(1)SiC陶瓷化学稳定性好、抗氧化性强。
(2)硬度高，耐磨性能好。
(3)SiC具有宽的能带间隙。
(4)优良的导电性。
(5)热稳定性好，高温强度大。
(6)热膨胀系数小、热导率大以及抗热振和耐化学腐蚀等。[4]
3.2 应用
碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次子氧化铍陶瓷。碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承、泵的密封圈、拉丝成型模
具等。SiC陶瓷已成为1400℃以上最有价值的高温结构陶瓷，在各个工业领域中被广泛的应用。[6]
4 合成方法
工业上应用的SiC粉末都是人工合成的，方法主要有：
(1)Acheson法：这是工业上采用最多的合成方法，即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因为石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等杂质，在制成的SiC中都固溶有少量杂质。其中，杂质少的呈绿色，杂质多的呈黑色。
(2)化合法：在一定温度下，使高纯的硅和碳黑直接发生反应。由此可合成高纯度的β- SiC粉末。
(3)热分解法：使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有机硅聚合物在1200-1500℃的温度范围内发生分解反应，由此制得亚微米级的β- SiC粉末。
(4)气相反相法：使四氯化硅和四氢化硅等含硅气体及甲烷、丙烷等含碳气体在高温下发生反应，由此制备纳米级的β- SiC超细粉。[7]
5 烧结工艺
5.1 无压烧结
无压烧结被认为是SiC烧结最有前途的烧结方法，根据烧结机理的不同，无压烧结又可分为固相烧结和液相烧结。S.Proehazka通过在超细β-SiC粉体（含氧量小于2%）中同时加入适量B和C的方法，在2020℃下常压烧结成密度高于98%的SiC烧结体。A.Mulla等以Al2O3和Y2O3为添加剂在1850-1950℃烧结0.5μm的β-SiC(颗粒表面含有少量SiO2)，获得的SiC陶瓷相对密度大于理论密度的95%，并且晶粒细小，平均尺寸为1.5μm。
5.2 热压烧结
Nadeau指出，不添加任何烧结助剂，纯SiC只有在极高的温度下才能烧结致密，于是不少人对SiC实行热压烧结工艺。关于添加烧结助剂对SiC进行热压烧结的报道已有许多。Alliegro等研究了B、Al、Ni、Fe、Cr等金属添加物对SiC致密化的影响，发现Al和Fe是促进SiC热压烧结最有效的添加剂。nge
研究了添加不同量Al2O3对热压烧结SiC的性能影响，认为热压烧结致密是靠溶解--再沉淀机理。但是热压烧结工艺只能制备形状简单的SiC部件，而且一次热压烧结过程中所制备的产品数量很小，因此不利于工业化生产。
5.3 热等静压烧结
为了克服传统烧结工艺存在的缺陷，Duna以B和C为添加剂，采用热等静压烧结工艺，在1900℃便获得了密度大于98%、室温抗弯强度高达600MPa左右的细晶SiC陶瓷。尽管热等静压烧结可获得形状复杂的致密SiC制品，并且制品具有较好的力学性能，但是HIP烧结必须对素坯进行包封，所以很难实现工业化生产。
5.4 反应烧结
反应烧结S iC又称自结合SiC，是通过多孔坯件同气相或液相发生化学反应,使坯件质量增加,孔隙减小,并烧结成具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。是由α—SiC粉和石墨按一定比例混台成坯体后，并加热到1650 ℃左右，同时熔渗Si或通过气相Si渗入坯体，使之与石墨起反应生成β—SiC，把原先存在的α—SiC颗粒结合起来。如果渗Si完全，就可得到完全致密、无尺寸收缩的反应烧结体。同其它烧结工艺比较,反应烧结在致密过程中的尺寸变化小,可以制造尺寸精确的制品，但烧结体中相当数量SiC的存在，使得反应烧结的SiC陶瓷高温性能较差。[8]
SiC陶瓷的4种烧结方式各有千秋，但是在科技发展如此迅速的今天，迫切需要提高SiC陶瓷的性能，不断改进制造技术，降低生产成本，实现SiC陶瓷的低温烧结。以达到降低能耗，降低生产成本，推动SiC陶瓷产品的产业化的目的。
6 用途
6.1 磨料
由于其超硬性能,可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料,广泛应用于机械加工行业。我国工业碳化硅主要作磨料用,黑色碳化硅制成的磨具,多用于切割和研磨抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等,同时
也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿色碳化硅制成的磨具,多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削,同时也用于缸套的珩磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅专用于微型轴承的超精磨,采用W3.5立方碳化硅微粉制成的油石对轴承(材料ZGCrl5)超精磨,其光洁度可由▼9直接磨成▼12以上,因此,在相同粒度的其他磨料中,立方碳化硅其加工效率为最高。
6.2 耐火材料
国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。我国亦在不断扩大这方面的应用,根据国外厂商的习惯,耐火材料黑色碳化硅通常分为3种牌号:①高级耐火材料黑碳化硅。这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同,主要用以制造高级碳化硅制品，如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。②二级耐火材料黑色碳化硅,含碳化硅大于90%。主要用以制造耐中等高温的窑炉构件,如马弗炉炉衬材料等。这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外,在很多场合还兼用它的化学稳定性。③低品位耐火材料黑色碳化硅,其碳化硅含量要求大于83%,主要用于出铁槽、铁水包,炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。
6.3 脱氧剂
炼钢时通常要使用硅铁脱氧,近代发展了用碳化硅代替硅铁作脱氧剂,炼出的钢质量更好,更经济。因为用碳化硅脱氧时,成渣少而且很快,有效地减少了渣中某些有用元素的含量,炼钢时间短而成分更好控制。脱氧剂黑色碳化硅在美国和日本等国家的钢铁工业中用得很普遍。磨料用或耐火材料用碳化硅在炉中所生成的适合于作脱氧剂的物料,都能全部销售应用于生产而无须回炉,产品综合利用率高,碳化硅生产的经济效果极佳。
6.4 耐磨与高温件
利用碳化硅陶瓷的高硬、耐磨损、耐酸碱腐蚀性，在机械工业、化学工业中用来制备新一代的机械密封材料,滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料,它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的,几乎没有一种材料可与之相比。
